Influence of a Low-Temperature Refrigerator Scheme Solution Based on Environmentally Friendly Refrigerants on the Energy Efficiency of the Cycle

В. Козін; С. Шарапов; Г. Барсукова

doi:10.15407/scine22.01.094

Автор(и)

В. Козін Сумський національний аграрний університет https://orcid.org/0000-0001-9821-7774
С. Шарапов Сумський державний університет https://orcid.org/0000-0002-8433-8580
Г. Барсукова Сумський національний аграрний університет https://orcid.org/0000-0002-4261-2182

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine22.01.094

Ключові слова:

енергетична ефективність, ексергетична ефективність, електротехнологія, енергозбереження, екологічність, холодильна машина, каскадний холодильний цикл, багатоступеневий холодильний цикл

Анотація

Вступ. Штучний холод від –40 ⁰C і нижче широко використовують для різних електротехнологічних процесів. Водночас від вибору холодильного агенту та схеми циклу залежить не лише енергетична ефективність, а й екологічна безпека холодильної установки.
Проблематика. Для умов глибокого холоду використовують багатоступеневі або каскадні схеми з раціональним підбором пар холодоагентів задля максимальної ефективності.
Мета. Оцінити вплив схемного рішення з урахуванням екологічних властивостей холодоагентів на
енергоефективність низькотемпературного холодильного циклу через коефіцієнт термотрансформації (СОР) та ексергетичний ККД (ε) й надати практичні рекомендації щодо вибору схеми і холодоагентів.
Матеріали й методи. Застосовано термодинамічний та ексергетичний порівняльний аналіз теоретичних низькотемпературних холодильних циклів, виконано їх числове моделювання у Refprop відповідно до
заданих температур (t_конд = 45 ⁰С, t_кип = –45 ⁰С). Як об’єкт використано двоступеневу парокомпресійну холодильну машину (ПКХМ) з проміжною ємністю та змійовиком, каскадну холодильну машину для пар холодильних агентів R717/R13, R717/R23, R717/R290, R717/R744, R717/R32, модифікований каскадний цикл,
триступеневу ПКХМ.
Результати. Найбільшу енергоефективність (COP = 2,22; ε = 0,372) досягнуто для триступеневої ПКХМ на R717. Серед традиційних каскадних холодильних циклів найбільш енергоефективною (COP ≈ 2,00) та
екологічною парою є R717/R290. Модифікований каскадний цикл перевершив за ефективністю традиційні каскадні схеми (COP ≈ 2,07), а його застосування дозволяє суттєво зменшити термомеханічні параметри, що позитивно впливає на ресурс компресорів.
Висновки. Для низькотемпературних застосувань доцільно віддавати перевагу багатоступеневим
ПКХМ на R717, які за ефективністю перевершують каскадні схеми. Якщо ключовим є підвищення надійності установки, доцільно розглянути використання модифікованого каскадного циклу на R717/R290. Для такого циклу запропоновано правило вибору проміжної температури.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Kozin, V. M., Vertepov, Y. M. (2014). Refrigeration technologies: textbook. Sumy [in Ukrainian].

Oginni Olarewaju Thomas, Bukola Olalekan Bolaji, Olatunde Ajani Oyelaran, Kazeem Aderemi Bello, Ezekiel Adegoke Fadiji, and Francis Olusesi Borokini. (2023). An Overview of a Two-Stage Vapour Compression Cascade Refrigeration System for Low-Temperature Applications. Current Journal of Applied Science and Technology, 42(42), 10—18. https://doi.org/10.9734/cjast/2023/v42i424269

Saeed, M. Z., Contiero, L., Blust, S., Allouche, Y., Hafner, A., Eikevik, T. M. (2023). Ultra-Low-Temperature Refrigeration Systems: A Review and Performance Comparison of Refrigerants and Configurations. Energies, 16(21), 7274. https://doi.org/10.3390/en16217274

Rangel, V., Almeida, A. (2021). Cascade refrigeration system for low temperatures using natural fluids. Revista de Engenharia Térmica, 20(2), 20—26. http://dx.doi.org/10.5380/reterm.v20i2.81783

Morozyuk, T. V. (2006). Theory of refrigeration machines and heat pumps. Odesa [in Russian] .

REFPROP. URL: https://trc.nist.gov/refprop/MINIREF/MINIREF.HTM (Last accessed: 21.02.2025).

Restrepo, G., Weckert, M., Bruggemann, B., Brüggemann, R., Gerstmann, S., Frank, H. (2008). Ranking of Refrigerants. Environment Science & Technology, 56—61. URL: https://www.unipamplona.edu.co/unipamplona/portalIG/home_10/recursos/general/pag_contenido/articulos/06082010/art_guill_ranking_patterns.pdf (Last accessed: 21.02.2025).

Jeon, M-J. (2022). Experimental Analysis of the R744/R404A Cascade Refrigeration System with Internal Heat Exchanger. Part 2: Exergy Characteristics. Energies, 15(3), 1251. https://doi.org/10.3390/en15031251

Sannan, Salabat Butt, Uthpala, A. Perera, Takahiko, Miyazaki, Kyaw, Thu, Yukihiro Higashi. (2024). Energy, exergy and environmental (3E) analysis of low GWP refrigerants in cascade refrigeration system for low temperature applications. International Journal of Refrigeration, 160, 373—389. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2023.12.020

Kumar, Vipin, Karimi, Munawar, Kamboj, Sandeep. (2020). Comparative analysis of cascade refrigeration system based on energy and exergy using different refrigerant pairs. Journal of Thermal Engineering, 6(1), 106—116. https://doi.org/10.18186/thermal.671652

Zhili, Sun, Jianhua, Quan, Yi’an, Wang, Ruishen, Li, Jie, Peng, Haoran, Zhang, Jiapei, Xu, Huan, Sun, Shen, Tian, Shengming, Dong, Kaiyong, Hu, Wenxiang, Chen. (2022). Performance comparison of the single-refrigerant cascade refrigerating system. Energy Reports, 8, 8259—8270. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.06.05 5

COOLPACK. URL: http://www.holodonline.com/programme/coolpack-1-5. (Last accessed: 21.02.2025). 13. Bingming, W., Huagen, W., Jianfeng, L., Ziwen, X. (2009). Experimental Investigation on the Performance of NH3/CO2 Cascade Refrigeration System with Twin-Screw Compressor. International Journal of Refrigeration, 32(6), 1358—1365. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2009.03.008

Lee, T., Liu, C., Chen, T. (2006). Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascadecondenser in CO2/NH3 cascade refrigeration systems. International Journal of Refrigeration, 29(7), 1100—1108. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2006.03.003

Sachdeva, G., Jain, V., Kachhwaha, S. S. (2014). Performance study of cascade refrigeration system using alternative refrigerants. World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering, 8(3), 522—528. htpps://doi.org/10.5281/zenodo.1091148

Yamaguchi, H., Niu, X.-D., Sekimoto K., Neksa, P. (2011). Investigation of Dry Ice Blockage in an Ultra-Low Temperature Cascade Refrigeration System Using CO2 as a Working Fluid. International Journal of Refrigeration, 34(2), 466—475. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2010.11.001

Sokolovska-Efimenko, V. V., Gaiduk, S., Moshkatyuk, A., Yerema, V. (2018). Thermodynamic analysis of the cascade refrigeration machine of a marine refrigeration container. Refrigeration Engineering and Technology, 54(6), 28—38 [in Ukrainian].

Dopazo, A., Femandez-Seara, J. (2011). Experimental Evaluation of a Cascade Refrigeration System Prototype with CO2 and NH3 for Freezing Process Application. International Journal of Refrigeration, 1, 257—267. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2010.07.010

Morosuk, T., Nikulshin, R., Morosuk, L. (2006). Entropy-cycle method for analysis of refrigeration machine and heat pump cycles. Thermal Science, 10(1), 111—124. https://doi.org/10.2298/TSCI0601111M

Nikulshin, R. K., Morozyuk, L. I. (2012). Entropic method of modeling and analysis of two-stage cycles of ref rigeration machines and heat pumps. Sustainable development and artificial cold: materials of the VIII International scientific and technical conference, devoted to the 90th anniversary of the Odesa State Academy of Refrige ra tion. 90th anniversary of Odesa State Academy of Cold (8—10 October, 2012, Odesa, Ukraine), 141—146 [in Russian].

Tsatsaronis, J. (2002). Interaction of thermodynamics and economics to minimize the cost of energy conversion system. Odesa [in Russian].

Xiaonan, Chen, Qichao, Yang, Weikai, Chi, Yuanyang, Zhao, Guangbin, Liu, Liansheng, Li. (2022). Energy and exergy analysis of NH3/CO2 cascade refrigeration system with subcooling in the low-temperature cycle based on an auxiliary loop of NH3 refrigerants. Energy Reports, 8, 1757—1767. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.01.004